DE3612144A1

DE3612144A1 - Verfahren und einrichtung zur bestimmung der greifposition

Info

Publication number: DE3612144A1
Application number: DE19863612144
Authority: DE
Inventors: Ralf Hinkel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-04-10
Filing date: 1986-04-10
Publication date: 1987-10-15

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestim mung der Greiferposition von Handhabungsautomaten und insbesondere zur Lageerkennung und Zentrierung von zu greifenden Teilen.

Zugrundeliegender Stand der Technik

Bei bekannten Verfahren zur Bestimmung der Greiferposition und ins besondere bei der Lageerkennung und Zentrierung von zu greifenden Teilen durch optische Systeme wird eine Kamera stationär außerhalb des Roboters so angeordnet, daß ihr Blickfeld den Arbeitsbereich über streicht. Wird ein Werkstück, beispielsweise über ein Förderband, ange liefert, so wird das von der Kamera aufgenommene Bild ausgewertet und die Position an die Robotersteuerung mitgeteilt und der Greifer positio niert. Das Kamerasystem übernimmt hier meistens nur die Teileidenti fizierung und grobe Lage- bez. Positionsbestimmung, da der Abstand zwischen Kamera und Werkstück sehr groß ist.

Diese Lösung ist zum genauen Zentrieren von zu greifenden Werkstücken nur bedingt geeignet, da der Greifer und speziell die Greiferfinger das Werkstück vor der Kamera abschatten und so keine Messung erfolgen kann. Auch ist eine genaue Lagemessung durch den im Verhältnis zum Werkstück großen Kameraabstand nur schwer möglich, so daß diese Systeme einen zusätzlichen Sensor, beispielsweise einen Berührungs- oder Kraftsensor, benötigen. Ist der Greifer einmal über dem Werkstück, so fehlt der Robotersteuerung beim Zugreifen die genaue Lageinfor mation, da die Kamera das Werkstück nicht mehr einsehen kann.

Bei anderen Verfahren, bei denen die Kamera an den Roboterarm oder seitlich an den Greifer montiert wurde, tritt das gleiche Problem der Abschattung auch auf. Hier wird zuerst die seitlich am Greifer mon tierte Kamera über das Werkstück geführt und die Lage berechnet. Dann wird die so bestimmte Werkstückposition der Robotersteuerung mit geteilt und der Greifer über dem Werkstück positioniert. Dabei muß die Robotersteuerung sehr exakt sein, da eine Rückkopplung zwischen ge messener Werkstücklage und Greiferposition während der Greifphase, wegen der Blickfeldabschattung der Kamera, nicht möglich ist.

Soll außer der Positionsbestimmung des Werkstücks auch noch dessen Entfernung zum Greifer bestimmt werden, so muß außer dem Kamera system noch eine weitere Meßeinrichtung installiert werden. Diese bekannten Lage- und Positionsmeßsysteme, wie Laserentfernungsmes ser oder Ultraschallabstandssensoren, haben den gleichen Nachteil, da sie wegen ihrer Baugröße ebenso stationär bez. seitlich neben dem Greifer angebracht werden müssen.

Auch findet bei bekannten Verfahren die Signalaufbereitung und ins besondere die Auswertung der Daten des Aufnahmesystems nicht direkt an der Kamera statt, sondern außerhalb. Aufgrund der hohen Datenraten, wie sie bei der Bildauswertung anfallen, bereitet eine störsichere Da tenübertragung Probleme.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, daß es erlaubt während des Greifvorgangs direkt die Werkstücklage und Position, bez. den Abstand zwischen Werkstück und Greifer zu messen um daraus die Steuerbefehle für den Roboter zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß das Aufnahmesystem, beispielsweise eine Halbleiterkamera, in der Handwurzel des Greifers so angebracht ist, daß dessen Blick winkel den Greifbereich überstreicht und anhand des aufgenommenen Bildes die Lage des zu greifenden Objekts bestimmt wird. Die Entfernung zwischen Werkstück und Greifer wird dadurch ermittelt, daß in der Handwurzel des Greifers ein Laser angebracht ist, dessen auf das Objekt projizierter Lichtpunkt durch das Aufnahmesystem detektiert und das entstehende Bild ausgewertet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß auch während der Greifphase gemessen werden kann, da der Greifer das Werkstück beim Greifen nicht mehr abschattet. Auch ist der Abstand zwischen Aufnah mesystem und Werkstück sehr klein, so daß die Lage und Position des Werkstücks sehr exakt gemessen werden kann. Dadurch, daß gleichzeitig ein Laserlichtpunkt aus der Handwurzel auf das Werkstück projiziert wird, kann nach bekannten Verfahren aus der Position des abgebildeten Laserlichtpunktes auf dem optischen Empfänger die Entfernung von der Handwurzel bis zum Werkstück berechnet werden. Dabei ist es von Vor teil, daß die Detektion des Laserlichtpunktes durch das gleiche optische System erfolgt, das auch zur Messung der Werkstücklage benutzt wird.

Durch Regelung des Lasers und der Beleuchtungseinrichtung, die eben falls in der Handwurzel integriert ist, kann der Auswerterechner die jeweils gewünschte Meßfunktion einstellen und optimieren. Auch wird durch die Beleuchtungseinrichtung die Werkstückoberfläche sehr viel stärker angestrahlt als die Werkstückauflage, so daß eine Kontrastver stärkung auftritt, die die nachfolgende Bildauswertung vereinfacht. Die Entfernungsbestimmung zum Werkstück hat den Vorteil, daß aus ihr und anhand der durch die Auswertung des aufgenommenen Bildes bestimmten relativen Objektmaße die absoluten Maße errechnet werden können.

Da die Sensorvorverarbeitung und der Auswerterechner im Greifer selbst angeordnet werden, können die hohen anfallenden Datenraten des Auf nahmesystems direkt im Greifer verarbeitet werden und brauchen so nicht nach außen transportiert zu werden. Damit ist eine schnelle Da tenübertragung, die meist sehr störanfällig ist, nicht mehr nötig, so daß die Kommunikation zwischen Auswerterechner und Robotersteuerung mit niedrigeren Datenraten und bekannten Protokollen zur sicheren Daten übertragung erfolgen kann. Hier schickt der Auswerterechner nur die Lage, die Position, die beschreibende Werkstückinformation oder den Positionierungsfehler zum Steuerrechner, und nicht mehr die rohen Bilddaten.

Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der ausgeführten Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der ausgeführten Erfindung. Es wird ein Schnitt durch einen Robotergreifer (1) gezeigt, wobei der Übersicht wegen die mechanischen Komponenten auf das zum Verständ nis der Erfindung benötigte Maß reduziert wurden. Der hier abgebildete Greifer (1) verfügt über zwei parallelgeführte Finger (10) und (11). Schnitt A-B zeigt einen Querschnitt in der Höhe der Oberfläche des zu greifenden Objekts (5).

Das im Greifer befindliche Aufnahmesystem (2) soll hier nur aus einem einfachen optischen Zeilenempfänger, beispielsweise einer CCD-Zeile, bestehen, dessen Längsachse parallel zur Fingerbewegungsrichtung und mittig in der Handwurzel angeordnet ist. Der Bildwinkel des Aufnahme systems (2) ist anhand zweier Linien eingezeichnet, wobei die licht empfindliche Fläche der Zeilenkamera im Schnitt A-B mittig auf der Strichpunktlinie zu liegen kommt. Die aus mehreren Lichtquellen be stehende Beleuchtungseinrichtung (3) ist um das Aufnahmesystem herum angeordnet und kann vom Auswerterechner (8) zur Bildoptimierung getrennt eingestellt werden. Diese Beleuchtungseinrichtung (3) besteht beispielsweise aus Infrarot-Leuchtdioden.

Der Laser (14) ist mittig im Greifer (1) so angeordnet, daß sein Strahl von der Zeilenkamera detektiert werden kann. Je nach Objektentfernung verschiebt sich das Bild des auf das Objekt (5) projizierten Laserlicht punktes (6) auf dem Zeilenempfänger, so daß nach bekannten Verfahren der Laserentfernungsmessung anhand des Basisabstandes zwischen Aufnahmesystem und dem Laserneigungswinkel aus der Position des detektierten Lichtpunktes der Abstand zum Objekt errechnet werden kann.

Diagramm (10) zeigt das vom Zeilenempfänger aufgenommene idealli sierte Bild, wobei die Y-Achse die Spannungen der auf der X-Achse angeordneten einzelnen Empfangszellen angibt. Die Kanten des betrach teten Objekts (5) fallen hier auf die Empfangszellen an der Stelle j und k und der abgebildete Laserlichtpunkt auf die Position 1. Diese Bildin formation wird über eine Aufbereitungseinrichtung (7), die hier aus einem Kantendetektor und einer Digitalisierungseinrichtung besteht, dem Auswerterechner (8) zugeführt, der anhand der Position der Objekt kanten die Lage des Objekts (5) zwischen den Greiferfingern (10) und (11) bestimmt. Hat der Auswerterechner (8) anhand des abgebildeten Laserlichtpunktes auch den Abstand zum Objekt (5) bestimmt, so kann er aus der Positionsdifferenz k-j der abgebildeten Objektkanten, der Em pfangszellenbreite und der Bild- und Gegenstandsweite einfach die Dicke des Objekts (5) im Bildbereich bestimmen. Die so gewonnenen Werk stück- und Lageinformationen werden dann über die Kommunikationsver bindung (9) an den Steuerrechner weitergeleitet.

Claims

1. Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Greiferposition von Handhabungsautomaten und insbesondere zur Lageerkennung und Zen trierung von zu greifenden Teilen mit einem Robotergreifer (1), einem optischen Aufnahmesystem (2) einer Beleuchtungseinrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmesystem (2), beispielsweise eine Halbleiterkamera, in der Handwurzel des Greifers (1) so angebracht ist, daß dessen Blickwinkel das Greiffeld überstreicht und anhand des aufgenommenen Bildes die Lage des zu greifenden Ob jekts (5) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Handwurzel des Greifers (1) eine Beleuchtungseinrichtung (3) zur Kontrasterhöhung des beobachtenden Blickfelds installiert ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die sich in der Handwurzel des Greifers (1) befind liche Beleuchtungseinrichtung aus mehreren um das Aufnahmesystem angebrachten und in der Lichtstärke unabhängig einstellbaren Lichtquel len besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß in der Handwurzel des Greifers (1) ein Laser (4) ange bracht ist, dessen auf ein Objekt (5) projizierter Lichtpunkt (6) durch das Aufnahmesystem (2) detektiert und das entstehende Bild zur Lage bestimmung des Objekts (5) bez. zur Positionsbestimmung des Greifers (1) benutzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das in der Handwurzel des Greifers (1) befindliche Aufnahmesystem (3) sowohl zur Aufnahme des Bildes, das zur Bestim mung der Greifposition dient, als auch zur Detektierung des auf das Objekt (5) projizierten Laserlichtpunktes benutzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß in der Handwurzel des Greifers (1) mehrere Laser so angebracht sind, daß deren auf das Objekt projizierten Laserlichtpunkte durch das Aufnahmesystem (2) detektiert und das entstehende Bild zur Bestimmung der Lage der Objektoberfläche benutzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß anhand der durch den Laser (4) ermittelten Objekt entfernung und dem Bild des Aufnahmesystems die Abmessungen des im Blickfeld befindlichen Objekts (5) bestimmt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Bild des Aufnahmesystems zur Bestimmung der Fingerstellung des Greifers verwendet wird.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der An sprüche 1 bis 8 mit einem Greifer (1), einem optischen Aufnahmesystem (2) einer Beleuchtungseinrichtung (3), einer Aufbereitungseinrichtung (7) und einem Auswerterechner (8), dadurch gekennzeichnet, daß das vom Aufnahmesystem gelieferte Bild des zu greifenden Objekts (5) über die Aufbereitungseinrichtung (7), beispielsweise bestehend aus einem Kantenextraktor und einer Digitalisierungseinrichtung, dem Auswerterechner (8) zugeführt wird und dieser dieses Bild zur Bestim mung der Greifposition verwendet.

10. Einrichtung nach Anspruch 9 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerterechner (8) die Stärke der einzelnen Beleuchtungsquellen (3) zur Optimierung des aufgenommenen Bildes einstellen und insbesondere ein- und ausschalten kann.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 bis 10 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerterechner (8) die Stärke des Lasers (4) zur Optimierung des aufgenommenen Bildes einstellen und insbesondere ein- und ausschal ten kann.

12. Einrichtung nach Anspruch 9 bis 11 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerterechner (8) anhand der Bildposition des durch das Auf nahmesystem (2) detektierten Laserlichtpunktes (6) die Entfernung vom Objekt (5) zur Handwurzel des Greifers (1) bis zum Objekt (5) bestimmt.

13. Einrichtung nach Anspruch 9 bis 12 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerterechner (8) anhand des aufgenommenen Bildes die Lage des Greifers (1) bez. die Lage und Maße des Objekts (5) bestimmt und diese zur Greiferpositionierung verwendet.

14. Einrichtung nach Anspruch 9 bis 13 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitungseinrichtung (7) und der Auswerterechner (8) im Greifer selbst untergebracht sind.